JP5032105B2 - 量子情報通信装置、方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、多者間で量子情報中継を利用して長距離の量子情報通信を行う量子情報通信装置、方法およびプログラムに関する。

強力な暗号プリミティブとして提案されている量子鍵配送において、安全性を保証するためには、送信する信号の強度を十分に小さくしておく必要がある。信号強度が微弱であることには高い安全性を確保することができる一方、短い通信距離で量子状態が減衰するという問題がある。また、量子状態としての信号は、正確な観測基底を知らない場合には、複製できないという特徴も有しているため、一度、信号を読み取って新たに信号を生成することによって、信号の減衰を回復することができず、量子状態としての信号を増幅することは非常に困難となっている。このため、量子情報中継の技術が提案されている。

量子情報中継は、量子状態としての信号を遠隔地まで高い忠実度で送信する技術であり、エンタングルメントスワッピング（ＥＳ：entanglement Swapping）によって互いにもつれ合った光子対であるＥＰＲ対の長さを伸張し、エンタングルメント純粋化プロトコル（ＥＰＰ：Entanglement Purification Protocol）によって忠実度を回復するという２つの操作を繰り返すことによって、ＥＰＲ対の長さを徐々に伸張していきつつ、忠実度を確保する技術である。ここで、忠実度とは、減衰後の量子状態が減衰前の量子状態にどの程度近いかを示す指標である。

より具体的には、量子情報中継プロトコルは以下の手順で進行する。まず、各中継地点において、ＥＰＲ対を発生させて、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接する中継地点に送信する。これにより、隣り合った中継地点の間でＥＰＲ対が共有される。この後、ＥＳによりＥＰＲ対をつなぎ合わせる。隣接する地点間でのＥＰＲ対の共有やＥＳ操作の際に忠実度が低下するが、このように低下した忠実度をＥＰＰにより向上させる。そして、送信者と受信者との間でＥＰＲ対が共有されるまでＥＳ及びＥＰＰを繰り返し実行する。このようにしてＥＰＲ対は送信者と受信者との間で共有され、量子状態としての信号を遠隔地まで高い忠実度で送信することができる（例えば、非特許文献１参照）。

H.J. Briegel et.al. Quantum repeaters:The role of imperfect local operations in quantum communication.Phys.Rev.Lett.,Vol.81,No.26,pp.5932, 1998.

しかしながら、このような量子情報中継を利用した量子通信技術では、次のような問題点がある。

多数のノードが接続されたネットワークシステムにおいて、全てのノードが古典通信ネットワークで接続され、古典通信経路が形成されている場合でも、一部のノード間では、量子通信ネットワークが構築されておらず、量子通信経路が形成されていない場合がある。このため、量子通信経路による経路と古典通信経路による経路とが異なる場合がある。

このため、量子中継器を有するノードにおいては、ノード間の古典通信経路による経路を登録した古典通信経路テーブルと、ノード間の量子通信経路による経路を登録した量子通信経路テーブルとを別個に保持している。そして、送信ノードから受信ノードまで量子情報を通信する場合、古典通信経路テーブルを利用した古典通信経路による経路探索と量子通信経路テーブルを利用した量子通信経路による経路探索との両方を行っている。

このような２つの経路探索は、ノードの量子情報通信装置における負荷を増大するものとなっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、量子情報通信において、経路探索の負荷を軽減することができる量子情報通信装置、方法およびプログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、量子通信ネットワークと古典通信ネットワークとに接続された量子情報通信装置であって、前記量子通信ネットワークに接続されたノード間の量子通信による経路を示す量子通信経路を登録した量子通信経路テーブルと、前記古典通信ネットワークに接続されたノード間の古典通信による経路を示す古典通信経路と当該古典通信経路のノード間の前記量子通信経路の相関関係とを対応付けた古典通信経路テーブルとを記憶する記憶手段と、送信ノードのネットワークアドレスと受信ノードのネットワークアドレスとに基づいて、前記古典通信経路テーブルから前記送信ノードと前記受信ノードとの間に存在する所定のノード間の前記古典通信経路を検索し、検索された前記古典通信経路に対応する前記相関関係に基づいて前記所定のノード間の前記量子通信経路を決定する経路決定手段と、検索された前記古典通信経路または決定された前記量子通信経路に従って、光子の量子情報通信を行う通信手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上記量子情報通信装置で実行される方法およびプログラムである。

本発明によれば、量子情報通信において、経路探索の負荷を軽減することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、通信経路の状況に応じて最適な経路探索を行うことができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる量子情報通信装置、方法およびプログラムの最良な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１は、本発明にかかる量子情報通信装置、方法およびプログラムを、送信ノードから受信ノードまでの古典通信経路または量子通信経路に設けられ、量子鍵配送等、送信ノードから受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を他のノードと共有し、ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行う量子情報中継装置に適用したものである。

図１は、実施の形態１にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる量子情報通信システムは、複数の量子情報中継装置１００が光ファーバー１４０で接続された構成となっている。かかる光ファイバー１４０によって構成されるネットワークは、古典通信経路と量子通信経路の双方で構成されている。

量子情報中継装置１００は、送信ノードから受信ノードまでの量子通信経路に設けられ、送信ノードから受信ノードへの光子の量子情報通信を中継するものである。ここで、本実施の形態では、量子情報中継装置１００自体が送信ノードおよび受信ノードとなる構成となっている。また、量子通信経路は、量子情報中継装置１００が存在する経路である。

量子情報中継装置１００は、図１に示すように、制御用古典計算機１１０と中継器１２０とを備えている。制御用古典計算機１１０は、ＣＰＵやメモリ、キーボード、マウス、ハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）等を備えた通常のコンピュータの構成となっている。

図２は、実施の形態１にかかる制御用古典計算機１１０と中継器１２０の機能的構成を示すブロック図である。

まず、制御用古典計算機１１０について説明する。制御用古典計算機１１０は、図２に示すように、古典経路検索部１３６と、量子経路決定部１３２と、通信部１３５と、古典通信経路テーブル１３３と、量子通信経路テーブル１３４とを主に備えている。

古典通信経路テーブル１３３は、古典通信ネットワークに接続された各ノード間の古典通信による最短経路を示す古典通信経路と古典通信経路の各ノード間の量子通信経路の相関関係とを対応付けたテーブルである。ここで、本実施の形態において、相関関係として、古典通信経路と同一経路の量子通信経路の存在の有無を示す量子通信経路存在フラグをノードのＩＰアドレスに対応づけて保持している。量子通信経路存在フラグは、「１」の場合に、古典通信経路と同一経路の前記量子通信経路が存在する旨を示し、「０」の場合に、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在しない旨を示す。

量子通信経路テーブル１３４は、量子通信ネットワークに接続されたノード間の量子通信による最短経路を示す量子通信経路をノードのＩＰアドレスごとに登録したテーブルである。古典通信経路テーブル１３３と量子通信経路テーブル１３４は、ハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）やメモリ等の記憶媒体に格納されている。

ここで、送信ノードおよび受信ノードのＩＰアドレスのデータ形式について説明する。図３−１は、送信ノードおよび受信ノードのＩＰアドレスのデータ形式の一例を示すデータ構造図である。図３−１に示すように、ＩＰアドレスは複数のセグメントから構成されている。

このセグメントは、ネットワーク内の集合の階層を示すものである。例えば、ＩＰアドレスのｎ個のセグメントのうち、最初のｍ１個を第１階層の指定に用い、次のｍ２個を第２階層の決定に用いるように構成することができる。同様にして第ｉ階層の決定にはｍ１＋…＋ｍ(ｉ−１)＋１個目のセグメントからｍ１＋…＋ｍｉ個目のセグメントまでを用いるように構成することができる。

図３−２は、ＩＰアドレスが２個のセグメントから構成される場合の例を示す模式図である。図３−２の例では、上位のセグメントから順に、第１階層である「組織」、第２階層である「当事者」の各階層で使用されるように構成される。

本実施の形態では、一例として、図３−２に示す２個のセグメントから構成されるＩＰアドレスを用いるものとする。また、本実施の形態では、組織のネットワークとして「アルファ社」、「ベータ社」の各ネットワークが接続されており、各ネットワーク内に当事者のノードが接続され、ノード間の一部で量子通信経路と古典通信経路とが一致しない場合を例にあげて説明する。

図４は、「アルファ社」、「ベータ社」のネットワーク構成および量子通信経路と古典通信経路の一例を示す模式図である。図４では、実線が量子通信経路を示し、点線が古典通信経路を示している。各量子通信経路および各古典通信経路には、経路を識別するための経路番号を付して示している。隣接ノード間の経路は、図４に示すように、０１〜１８までの経路番号をとるが、複数のノードに跨いだ経路として、経路１９〜３３が設けられている。このような経路の経路番号は、次のように定義される。

経路１９＝０１−０２
経路２０＝０３−０４
経路２１＝０５−０６
経路２２＝０７−０８
経路２３＝０９−１０
経路２４＝１１−１２
経路２５＝１３−１４
経路２６＝１５−１６
経路２７＝１９−２０
経路２８＝２１−２２
経路２９＝２３−２４
経路３０＝２５−２６
経路３１＝２８−２９
経路３２＝２７−２８−２９−３０
経路３３＝１７−３１−１８
ここで、「ｎ−ｍ」は、経路ｎと経路ｍからなる経路を示している。

アルファ社のネットワークは、組織の階層のアドレスとして「００１」が割り当てられており、図４に示すように、アルファ社のネットワークを管理するセンタノードＥの量子情報中継装置と、各ノードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｔ，Ｕ等の量子情報中継装置が接続されている。ここで、センタノードＥのＩＰアドレスは「００１．００１」、ノードＡのＩＰアドレスは「００１．００２」、ノードＤのＩＰアドレスは「００１．００３」である。また、図４に示すように、ノードＡ−Ｔ，Ｔ−Ｆ，Ｆ−Ｕ，Ｕ−Ｅ間等では、量子通信経路と古典通信経路とが一致しているが、Ａ−Ｅ、Ａ−Ｂ，Ｂ−Ｃ，Ｅ−Ｄ、Ｃ−Ｄ間では古典通信経路のみ存在している。従って、ノードＡからノードＥまでの経路としては、古典通信経路と量子通信経路が異なることになる。

すなわち、ノードＡからノードＥまでの古典通信経路は、経路１７であるが、量子通信経路は、経路２７（＝１９−２０＝０１−０２−０３−０４）となる。

ベータ社のネットワークは、組織の階層のアドレスとして「００２」が割り当てられており、図４に示すように、ベータ社のネットワークを管理するセンタノードＨの量子情報中継装置と、各ノードＧ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｖ，Ｗ等の量子情報中継装置が接続されている。ここで、センタノードＨのＩＰアドレスは「００２．００１」、ノードＧのＩＰアドレスは「００２．００２」、ノードＩのＩＰアドレスは「００２．００３」である。また、図４に示すように、ノードＨ−Ｗ，Ｗ−Ｌ，Ｇ−Ｖ，Ｇ−Ｌ間等では、量子通信経路と古典通信経路とが一致しているが、Ｇ−Ｈ，Ｈ−Ｉ，Ｉ−Ｊ，Ｊ−Ｋ，Ｋ−Ｇ間では古典通信経路のみ存在している。

そして、このアルファ社のネットワークとベータ社のネットワークは、量子通信経路と古典通信経路の双方で接続されており、センタノードＥ−Ｈ間に、ノードＭ，Ｎ，Ｏ，Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓの量子情報中継装置が接続されている。

センタノードＥ，Ｈの量子情報中継装置１００は、ＩＰアドレスの第１階層である組織の経路を決定するため、第１階層の古典通信経路テーブル１３３と第１階層の量子通信経路テーブル１３４を保持している。

図５は、センタノードＥ，Ｈが保持する第１階層（組織）の古典通信経路テーブルの一例を示す説明図であり、図６は、センタノードＥ，Ｈが保持する第１階層（組織）の量子通信経路テーブルの一例を示す説明図である。

第１階層の古典通信経路テーブル１３３は、送信者アドレスとして送信ノードのＩＰアドレスの第１階層のアドレスと、受信者アドレスとして受信ノードのＩＰアドレスの第１階層のアドレスと、両アドレスのノード間の古典通信経路の経路番号と、量子通信経路存在フラグとを対応付けている。量子通信経路存在フラグは、送信者アドレスと受信者アドレスのノード間の古典通信経路と同一経路、すなわち同一の経路番号の経路が量子通信経路として存在するか否かを示すフラグである。

第１階層の量子通信経路テーブル１３４は、送信者アドレスとして送信ノードのＩＰアドレスの第１階層のアドレスと、受信者アドレスとして受信ノードのＩＰアドレスの第１階層のアドレスと、両アドレスのノード間の量子通信経路の経路番号とを対応付けている。

ここで、図６の量子通信経路テーブル１３４において、送信者アドレス（第１階層）「００１」、受信者アドレス（第１階層）「００２」の量子通信経路は「３１」となっており、図５の古典通信経路テーブル１３３において、送信者アドレス（第１階層）「００１」、受信者アドレス（第１階層）「００２」の量子通信経路は「３１」となっている。すなわち、送信者アドレス（第１階層）「００１」、受信者アドレス（第１階層）「００２」のノード間の古典通信経路と量子通信経路は同一経路となっている。このため、古典通信経路テーブル１３３において、送信者アドレス「００１」、受信者アドレス「００２」に対応する量子通信経路存在フラグは「１」となっている。

これを図４のネットワーク構成と照らし合わせてみると、送信者アドレス（第１階層）「００１」と受信者アドレス（第１階層）「００２」のノード間は、アルファ社のセンタノードＥからベータ社のセンタノードＨである。ノードＥとノードＨ間の経路は、Ｅ−Ｍ，Ｍ−Ｎ，Ｎ−Ｏ，Ｏ−Ｐ，Ｐ−Ｑ，Ｑ−Ｒ，Ｒ−Ｓ，Ｓ−Ｈであり、これらの全ての経路において古典通信経路と量子通信経路が存在し、それぞれ経路は「０５−０６−０７−０８−０９−１０−１１−１２」である。上述の経路１９〜３３の定義を参照すると、次式のようになり、ノードＥとノードＨ間の古典通信経路および量子通信経路は「３１」となる。

０５−０６−０７−０８−０９−１０−１１−１２＝２１−２２−２３−２４
＝２８−２９＝３１

従って、図５の古典通信経路テーブル１３３には、送信者アドレス「００１」、受信者アドレス「００２」に対応する量子通信経路として「３１」、量子通信経路存在フラグ「１」が登録されている。また、図６の量子通信経路テーブル１３４には、送信者アドレス「００１」、受信者アドレス「００２」に対応する量子通信経路として「３１」が登録されている。

また、アルファ社のネットワーク内の各ノード（ノードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｔ，Ｕ，センタノードＥ）の量子情報中継装置１００は、ＩＰアドレスの第１階層「００１」下で第２階層である当事者の経路を決定するため、第２階層の古典通信経路テーブル１３３と第２階層の量子通信経路テーブル１３４を保持している。

図７は、アルファ社のネットワーク内の各ノードが保持する第２階層（当事者）の古典通信経路テーブルの一例を示す説明図であり、図８は、アルファ社のネットワーク内の各ノードが保持する第２階層（当事者）の量子通信経路テーブルの一例を示す説明図である。

第２階層の古典通信経路テーブル１３３は、当事者アドレスとしてＩＰアドレスの第２階層のアドレスと、センタノードＥと当事者アドレスのノードの間の古典通信経路の経路番号と、量子通信経路存在フラグとを対応付けている。量子通信経路存在フラグは、センタノードＥと当事者アドレスのノードの間の古典通信経路と同一経路が量子通信経路として存在するか否かを示すフラグである。

第２階層の量子通信経路テーブル１３４は、当事者アドレスとしてＩＰアドレスの第２階層のアドレスと、センタノードＥと当事者アドレスのノードの間の量子通信経路の経路番号とを対応付けている。

ここで、図８の量子通信経路テーブル１３４において、当事者アドレス「００３」（第２階層）とセンタノードＥ「００１」（第２階層）のノードの間の量子通信経路は「６３」である。また、図７の古典通信経路テーブル１３３において、当事者アドレス「００３」（第２階層）とセンタノードＥ「００１」（第２階層）のノード間の量子通信経路も「６３」であり、古典通信経路と量子通信経路は同一経路となっている。このため、古典通信経路テーブル１３３において、当事者アドレス「００３」に対応する量子通信経路存在フラグは「１」となっている。

一方、図８の量子通信経路テーブル１３４において、当事者アドレス「００２」（第２階層）とセンタノードＥ「００１」（第２階層）のノードの間の量子通信経路は「２７」である。また、図７の古典通信経路テーブル１３３において、当事者アドレス「００２」（第２階層）とセンタノードＥ「００１」（第２階層）のノード間の量子通信経路は「１７」であり、量子通信経路と古典通信経路は異なる経路となっている。このため、古典通信経路テーブル１３３において、当事者アドレス「００２」に対応する量子通信経路存在フラグは「０」となっている。

図４のネットワーク構成と照らし合わせてみると、当事者アドレス（第２階層）「００２」とセンタノードＥ（第２階層）「００１」のノード間は、ノードＡからノードＥである。ノードＡとセンタノードＥ間における最短の古典通信経路はＡ−Ｅであり、経路「１７」に相当する。

一方、Ａ−Ｅ間には量子通信経路は存在せず、ノードＡとセンタノードＥ間における最短の量子通信経路はＡ−Ｔ，Ｔ−Ｆ，Ｆ−Ｕ，Ｕ−Ｅであり、経路「０１−０２−０３−０４」である。上述の経路１９〜３３の定義を参照すると、次式のようになり、ノードＡとセンタノードＥ間の量子通信経路は「２７」となる。

０１−０２−０３−０４＝１９−２０＝２７
従って、図７の古典通信経路テーブル１３３には、当事者アドレス「００２」に対応する古典通信経路として「１７」、量子通信経路存在フラグ「０」が登録されている。また、図８の量子通信経路テーブル１３４には、当事者アドレス「００２」に対応する量子通信経路として「２７」が登録されている。

また、ベータ社のネットワーク内の各ノード（Ｇ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌ，Ｖ，Ｗ，センタノードＨ）の量子情報中継装置１００は、ＩＰアドレスの第１階層「００２」下で第２階層である当事者の経路を決定するため、第２階層の古典通信経路テーブル１３３と第２階層の量子通信経路テーブル１３４を保持している。

図９は、ベータ社のネットワーク内の各ノードが保持する第２階層（当事者）の古典通信経路テーブルの一例を示す説明図であり、図１０は、ベータ社のネットワーク内の各ノードが保持する第２階層（当事者）の量子通信経路テーブルの一例を示す説明図である。

第２階層の古典通信経路テーブル１３３は、当事者アドレスとしてＩＰアドレスの第２階層のアドレスと、センタノードHと当事者アドレスのノードの間の古典通信経路の経路番号と、量子通信経路存在フラグとを対応付けている。量子通信経路存在フラグは、センタノードＨと当事者アドレスのノードの間の古典通信経路と同一経路が量子通信経路として存在するか否かを示すフラグである。

第２階層の量子通信経路テーブル１３４は、当事者アドレスとしてＩＰアドレスの第２階層のアドレスと、センタノードＨと当事者アドレスのノードの間の量子通信経路の経路番号とを対応付けている。図９，１０の当事者アドレス「００２」、「００３」の例では、量子通信経路と古典通信経路が同一経路でないため、量子通信経路存在フラグがすべて「０」となっている。

このように、ネットワーク内部の各ノード間には、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在しない場合がある。このため、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在しない場合を考慮すると、古典通信経路の探索と量子通信経路の探索の両方を実行する必要がある。

しかしながら、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する場合には、古典通信経路の探索のみを実行し、量子通信経路については探索を実行せず、探索された古典通信経路を量子通信経路として決定すれば、経路探索処理の負荷を軽減することができる。

そこで、本実施の形態では、古典通信経路テーブル１３３に同一経路の量子通信経路が存在するか否かを示す量子通信経路存在フラグを設けている。そして、量子経路決定部１３２により、かかるフラグを参照して、古典経路検索部１３６により検索された古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する場合（量子通信経路存在フラグ＝「１」の場合）には、量子通信経路の検索を行わずに、古典経路検索部１３６により検索された古典通信経路を量子通信経路と決定し、経路探索処理の負荷を軽減している。

図２に戻り、通信部１３５は、送信ノードのＩＰアドレス、受信ノードのＩＰアドレス、古典通信経路や量子通信経路を他のノードに送信したり、他のノードから受信する処理部である。

古典経路検索部１３６は、利用者により指定された送信ノードのＩＰアドレスと受信ノードのＩＰアドレスから、古典通信経路テーブル１３３から送信ノードと受信ノードとの間に存在する所定のノード間の古典通信経路を検索する処理部である。

具体的には、古典経路検索部１３６は、指定された送信ノードのＩＰアドレスと受信ノードのＩＰアドレスの第１階層から第ｎ階層の一部のアドレスをキーにして、古典通信経路テーブル１３３から送信ノードと受信ノードとの間に存在する所定のノード間の古典通信経路を検索し、検索された古典通信経路を所定のノード間の古典通信経路として決定する。

ＩＰアドレスが図３に示す２階層のデータ構造で、図４に示すネットワーク構成の例において、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ量子情報送信を行う場合を考える。この場合、アルファ社の各ノードの量子情報中継装置１００では、自分が送信ノードとなる場合に、自分のＩＰアドレスの第２階層（当事者）のアドレスからセンタノードＥの第２階層のアドレスまでの古典通信経路を決定する必要がある。このため、古典経路検索部１３６によって、自己の送信者アドレスの第２階層のアドレスをキーにして図７に示す古典通信経路テーブル１３３から古典通信経路を検索する。また、送信ノードの量子情報中継装置１００の通信部１３５は、送信者アドレスと受信者アドレスをセンタノードＥに送信する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、ベータ社のネットワークの送信ノードとなる量子情報中継装置１００において、図９に示す古典通信経路テーブル１３３を参照して自己のノードからセンタノードＨまでの第２階層の古典通信経路の検索が古典経路検索部１３６によって同様に行われる。

また、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合、センタノードＥの量子情報中継装置１００は、送信者アドレスの第１階層のアドレスから受信者アドレスの第１階層のアドレスまでの経路決定を行う必要がある。このため、センタノードＥの量子情報中継装置１００では、古典経路検索部１３６によって、アルファ社のネットワーク内の送信ノードから受信した送信者アドレス（ＩＰアドレス）と宛先である受信ノードの受信アドレス（ＩＰアドレス）の第１階層の各アドレスをキーにして、図５に示す古典通信経路テーブル１３３から古典通信経路を検索する。また、センタノードＥの量子情報中継装置１００の通信部１３５は、受信者アドレスをセンタノードＨに送信する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、ベータ社のネットワークのセンタノードＨとなる量子情報中継装置１００において、古典経路検索部１３６によって、図５に示す古典通信経路テーブル１３３を参照して自己のノードからセンタノードＥまでの第１階層の古典通信経路の検索が同様に行われる。

また、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合、ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００では、センタノードＨから受信者アドレスのノードまでの第２階層（当事者）の経路決定を行う必要がある。このため、ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００では、古典経路検索部１３６によって、センタノードＥから受信した受信者アドレスの第２階層のアドレスをキーにして図９に示す古典通信経路テーブル１３３から受信者アドレスのノードまでの古典通信経路を検索する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、アルファ社のネットワークのセンタノードＥとなる量子情報中継装置１００において、古典経路検索部１３６によって、図７に示す古典通信経路テーブル１３３を参照してセンタノードＥから受信者ノードまでの第２階層の古典通信経路の検索が同様に行われる。

量子経路決定部１３２は、古典経路検索部１３６によって検索された古典通信経路に対応する相関関係に基づいて所定のノード間の量子通信経路を決定する処理部である。具体的には、量子経路決定部１３２は、古典経路検索部１３６によって検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグが古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する旨を示す「１」である場合には、量子通信経路の検索を行わずに、検索された古典通信経路を前定のノード間の量子通信経路として決定する。

一方、量子経路決定部１３２は、古典経路検索部１３６によって検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグが古典通信経路と同一経路である量子通信経路が存在しない旨を示す「０」である場合には、量子通信経路テーブル１３４から、所定のノード間の量子通信経路を検索し、検索された量子通信経路を所定のノード間の量子通信経路として決定する。

ＩＰアドレスが図３に示す２階層のデータ構造で、図４に示すネットワーク構成の例において、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ量子情報送信を行う場合、アルファ社の各ノードの量子情報中継装置１００では、自分が送信ノードとなる場合に、自分のＩＰアドレスの第２階層（当事者）のアドレスからセンタノードＥの第２階層のアドレスまでの量子通信経路を決定する必要がある。このため、アルファ社の各ノードの量子情報中継装置１００では、量子経路決定部１３２によって、古典通信経路テーブル１３３の検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグを調べ、フラグの値によって検索された古典通信経路を量子通信経路として決定したり、自己の送信者アドレスをキーにして図８に示す量子通信経路テーブル１３４から量子通信経路を検索する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、ベータ社のネットワークの送信ノードとなる量子情報中継装置１００において、量子経路決定部１３２によって、図９に示す古典通信経路テーブル１３３と図１０に示す量子通信経路テーブル１３３を参照して自己のノードからセンタノードＨまでの第２階層の量子通信経路の決定が同様に行われる。

また、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合、センタノードＥの量子情報中継装置１００は、送信者アドレスの第１階層のアドレスから受信者アドレスの第１階層のアドレスまでの経路決定を行う必要がある。このため、センタノードＥの量子情報中継装置１００では、量子経路決定部１３２によって、古典通信経路テーブル１３３の検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグを調べ、フラグの値によって検索された古典通信経路を量子通信経路として決定したり、アルファ社のネットワーク内の送信ノードから受信した送信者アドレスと宛先である受信ノードの受信アドレスの第１階層の各アドレスをキーにして、図６に示す量子通信経路テーブル１３４から量子通信経路を検索する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、ベータ社のネットワークのセンタノードＨとなる量子情報中継装置１００において、量子経路決定部１３２によって、図５に示す古典通信経路テーブル１３３と図６に示す量子通信経路テーブル１３３を参照して自己のノードからセンタノードＥまでの第１階層の量子通信経路の決定が同様に行われる。

また、アルファ社のネットワーク内のノードからベータ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合、ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００では、センタノードＨから受信者アドレスのノードまでの第２階層（当事者）の量子通信経路の決定を行う必要がある。このため、ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００では、量子経路決定部１３２によって、古典通信経路テーブル１３３の検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグを調べ、フラグの値によって検索された古典通信経路を量子通信経路として決定したり、センタノードＥから受信した受信者アドレスの第２階層のアドレスをキーにして図１０に示す量子通信経路テーブル１３４から量子通信経路を検索する。

なお、ベータ社のネットワーク内のノードからアルファ社のネットワーク内のノードへ送信を行う場合には、アルファ社のネットワークのセンタノードＥとなる量子情報中継装置１００において、量子経路決定部１３２によって、図５に示す古典通信経路テーブル１３３と図６に示す量子通信経路テーブル１３３を参照してセンタノードＥから受信者ノードまでの第２階層の量子通信経路の決定が同様に行われる。

次に、図２に戻り、中継器１２０について説明する。中継器１２０は、図２に示すように、ＥＰＲ対生成ユニット１２１と、光子入力ユニット１２２と、光子−固体ＥＩＴ間変換ユニットと、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４と、光子送信ユニット１２６とを主に備えている。

ＥＰＲ対生成ユニット１２１は、ＥＰＲ対を生成するものであり、光子対を発生するデバイスを用いることができる。ここで、ＥＰＲ対とは、もつれあった光子対である。２つの光子のもつれ合いの度合いが最も大きいのは２光子がベル状態の場合である。ベル状態とは、次の（１）〜（４）式で表される４つの状態である。なお、ベル状態を基底として２光子に対して行う観測をベル合同測定という。

ここで、｜０＞は光子の偏光が０度の状態であり、｜１＞は光子の偏光が９０度の状態である。また、（１／√２）（｜０＞＋｜１＞）は光子の偏光が４５度の状態であり、（１／√２）（｜０＞−｜１＞）は光子の偏光が１３５度の状態である。

光子対を発生するデバイスの詳細については、技術文献「R.M. Stevenson, R.J. Young, P. Atkinson, K. Cooper, D.A. Ritchie, and A.J. Shields. A semiconductor wource of triggered entangled photon pairs. Nature, Vol. 439, pp. 179−182, 2006.」に記載されている。

光子送信ユニット１２６（通信手段）は、生成されたＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの量子情報中継装置１００に送信するものである。

光子入力ユニット１２２は、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの量子情報中継装置１００から受信するものである。

光子−固体ＥＩＴ間変換ユニット１２３は、受信した光子の量子状態および生成したＥＰＲ対の光子の量子状態を、原子核スピンの量子状態、具体的には、酸化物結晶（Ｙ₂ＳｉＯ₅）中に分散させた希土類イオン（Ｐｒ³⁺）の核スピンの量子状態に置き換えて、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４に出力するものである。

光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、原子核スピンの量子状態で置換された光子の量子状態に対して、固体ＥＩＴ（Electromagneticlly indused transparency：電磁波誘起透明化）現象を使用して、量子計算を行う計算機である。ここで、固体ＥＩＴ現象とは、３つのエネルギー準位に２つの光を作用させることで誘起される現象である。作用させる光の片方、あるいは両方に対し、もともと不透明であるはずの物質が、透明になり、その際、３つのエネルギー準位のうち２つが量子力学的な重ね合わせの状態になる現象である。光子−固体ＥＩＴ量子計算機の詳細については、技術文献「K. Ichimura. A simple frequency-domain quantum computer with ions in a crystal coupled to acavity mode. Optics communications,196,pp.119-125, 2001.」および「H. Goto and K. Ichimura. Multiqubit controlled unitary gate by adiabatic passage with an optical cavity. Phys. Rev. A, Vol. 70, p. 012305, 2004.」に記載されている。

本実施の形態では、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、エンタングルメント交換処理やエンタングルメント純粋化プロトコル処理を行っている。光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４は、図２に示すように、制御部３０１と、エンタングルメント交換実行部３０２（以下、「ＥＳ実行部３０２」という）と、エンタングルメント純粋化プロトコル実行部３０３（以下、「ＥＰＰ実行部３０３」という）と、量子メモリ１２５とを主に備えている。

ＥＳ実行部３０２は、隣接するノードの量子情報中継装置との間で、ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理（以下、「ＥＳ処理」という）を実行するものである。ＥＳ処理は、複数のＥＰＲ対について、対のパートナーの光子（粒子）を交換する処理である。

ＥＰＰ実行部３０３は、エンタングルメント交換処理によって共有したＥＰＲ対の共有先のノードの量子情報中継装置との間で、ＥＰＲ対の忠実度を回復するためのエンタングルメント純粋化プロトコル処理（以下、「ＥＰＰ処理」）を実行するものである。ＥＰＰ処理は、忠実度の低い複数のＥＰＲ対から忠実度の高いＥＰＲ対を生成するプロトコルである。ＥＳ処理とＥＰＰ処理は、量子情報中継の処理で実行される。

量子メモリ１２５は、キュービットで構成され、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接ノードと共有する際に、光子を一時的に保存する記憶媒体である。

ここで、エンタングルメント純粋化プロトコルには種種のバリエーションがあり、詳細については、技術文献「C.H. Bennett et.al. Purification of noisy entanglement and faithful teleportation via noisy entanglement.Phys.Rev.Lett.,Vol.76,No.5,pp.722, 1996.」、「R. Matsumoto. Conversion of a general quantum stabilizer code to an entanglement distillation protocol. uant-ph/0209091, 2002.」、「P.W. Shor and J. Preskill. Simple proof of security of the bb84 quantum key distribution protocol. e-print,quant-ph/0003004, 2000.」に記載されている。

制御部３０１は、送信者から受信者までの経路が決定された後、送信ノードから受信ノードまでの経路中の自己のノードの位置により、センタノードの量子情報中継装置１００によって決定された役割（ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行の際の古典通信経路、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行回数、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行タイミング等）に従って、ＥＳ処理およびＥＰＰ処理の制御を行うものである。

ここで、一般化量子中継プロトコルについて説明する。一般化量子中継プロトコルは、量子状態配送ステップとＥＰＲ対の長さの伸長ステップからなっている。量子状態配送ステップは、もつれ合った光子対を短距離で共有するステップである。ＥＰＲ対の長さの伸長ステップは、長さの短い粒子対の長さを伸長するステップであって、量子状態の通信路による伝送は行わずに、古典情報の通信路による伝送のみを行うものである。

本実施の形態では、さらに、一般化量子中継を構成する量子状態配送ステップ及びＥＰＲ対の長さの伸長ステップの中で、ＥＰＲ対の長さの伸長ステップを複数の段階に分けたときに、最終段階において使用される古典通信経路がそれ以前の段階において使用される古典通信経路のうちのいずれか１つ以上と異なるように経路選択を行っている。かかる経路選択については、後述するＥＰＰ処理およびＥＳ処理において詳細に説明する。

また、ＥＳ処理およびＥＰＰ処理を利用した量子情報中継の処理について説明する。Ｌを１回のＥＳ処理で同時に連結する光子対の個数とする。このとき、Ｎ＝Ｌⁿとする。送信者Ａと受信者Ｂとを結ぶ光ファイバーには、Ｎ−１個の量子情報中継装置Ｃ₁、Ｃ₂、・・・Ｃ_N-1が接続されているものとする。かかる量子情報中継装置１００には、光子を保存しておくための量子メモリ１２５と、１キュービット演算量子回路と２キュービット演算量子回路が設置されているものとする。

まず、隣接するノードの量子情報中継装置１００間でＥＰＲ対を共有する。具体的には、各量子情報中継装置１００でＥＰＲ対を生成し、ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの２つの量子情報中継装置１００の中で受信者Ｂの方向にある量子情報中継装置１００に対して送信する。

そして、第１段階のＥＳ処理として、Ｌ個のＥＰＲ対を以下のように連結する。

量子情報中継装置Ｃ_L、Ｃ_2L、・・・Ｃ_N-Lを除く全ての量子情報中継装置１００でＥＳ処理を行い、ＥＰＲ対を連結する。その結果、長さＬのペアがＮ／Ｌ個生成され、Ａ＆Ｃ_L、Ｃ_L＆Ｃ_2L・・・間で共有される。

このＥＳ処理の操作によりＥＰＲ対の忠実度が低下するが、この値がＥＰＰ処理によって回復可能な忠実度の下限よりも大きければＥＰＰ処理を実行することにより忠実度を回復させることができる。このため、第１段階のＥＰＰ処理を行って、忠実度を回復する。

次に、第２段階のＥＳ処理として、生成された長さＬ倍のＥＰＲ対をさらにＬ個連結する。

Ｃ_kL（ｋ＝１，２，・・・）を満たす量子情報中継装置１００であって、量子情報中継装置Ｃ_L2、Ｃ_2L2、・・・Ｃ_N-L2を除く全ての量子情報中継装置１００でＥＳ処理によって、ＥＰＲ対を連結する。その結果、長さＬ²のＥＰＲ対がＮ／Ｌ²個生成され、Ａ＆Ｃ_L2、Ｃ_L＆Ｃ_2L2・・・間で共有される。次いで、第２段階のＥＰＰ処理を実行してＥＰＲ対の忠実度を回復する。

このようにして、ＥＳ処理とＥＰＰ処理を交互にｎ段階繰り返すことによって、送信ノードＡと受信ノードＢ間で忠実度の高いＥＰＲ対が共有される。このため、距離が増加しても共有されるＥＰＲ対の忠実度を一定に保つことができる。図１１は、Ｎ＝４の場合におけるＥＳ処理およびＥＰＰ処理によるＥＰＲ対の状態を示している。ここで、図１１および以降に示す図１２〜１６の各図において、実線で結線されている２つの光子は、互いにもつれあっていることを示している。

ここで、ＥＳ処理について詳述する。図１２は、ＥＳ処理を説明するための模式図である。図１２に示すように、例えば、光子１と光子２からなるＥＰＲ対及び光子３と光子４からなるＥＰＲ対にＥＳ処理を施すことによって、光子１と光子４からなるＥＰＲ対及び光子２と光子３からなるＥＰＲ対に変換される。ここで、送信者Ａと受信者Ｂとの間に２つの量子情報中継装置Ｃ１，Ｃ２が存在する場合を考えると、Ａ−Ｃ１間で共有されているＥＰＲ対とＣ１−Ｂ間で共有されているＥＰＲ対とを結び付けるＥＳ処理は以下のように実行される。

まず、ＡとＣ１で共有されているもつれ合った光子対のうちＣ１にある光子、及びＣ１とＢで共有されているＥＰＲ対のうちＣ１にある光子に対してベル合同測定を行う。次に、ベル合同測定の結果を、光子送信ユニット１２６を介して古典通信を用いてＡ及びＢに送信する。そして、Ａ及びＢで測定結果に対応する演算を施す。

次に、ＥＰＰ処理の詳細について説明する。例えば、送信者Ａと受信者Ｂとの間で共有されているＥＰＲ対に対してＥＰＰ処理を行う場合を考える。図１３は、ＥＰＰ処理を説明するための模式図である。ここで、図１３に示すように、送信者Ａと受信者Ｂとの間で２対のＥＰＲ対が共有されているとする。

Ａ、Ｂともに、自己の２光子にランダムバイラテラル変換を施す。そして、Ａ、Ｂ間で共有されている２対のＥＰＲ対に関して、Ａにある２つの粒子に制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）を施すとともに、Ｂにおいても２つの粒子にも制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）を施す。そして、Ａ及びＢでの制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）の標的となったキュービットを観測し、Ａでの観測結果を古典通信経路によってＢに送信する。そして、ＢはＡの観測結果と自己の観測結果とを比較しこれに対応した操作を施す。これによってＥＰＰ処理が実行され、ＥＰＲ対の忠実度が回復することになる。

本実施の形態では、上述したＥＳ処理およびＥＰＰ処理を実行している。図１４〜１６は、実施の形態１にかかる量子情報中継装置１００において、ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。図１４は、ＥＰＲ対生成からＥＰＲ対の一方の光子を隣接する量子情報中継装置１００に送信する前までの光子の状態を示し、図１５は、光子が送信されることによって、ＥＰＲ対が２つの量子情報中継装置１００で共有された状態を示している。また、図１６は、共有されたＥＰＲ対に対してＥＳ処理を実行した状態を示している。図１４〜１６に示すように、共有されたＥＰＲ対の２つ光子は、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４の量子メモリ１２５に保持され、光子−固体ＥＩＴ量子計算機１２４によって（ＥＳ実行部３０２、ＥＰＰ実行部３０３）、ＥＳ処理、ＥＰＰ処理が実行される。

実施の形態１では、さらに、ＥＰＰ実行部３０３は、最後に実行されたＥＳ処理で使用した古典通信経路、最後に実行されたＥＳ処理以前のＥＰＰ処理で使用した古典通信経路のうちいずれか１つ以上と異なる古典通信経路を選択して最後のＥＰＰ処理を実行している。また、ＥＳ実行部３０２は、前段階で実行したＥＳ処理で使用し、かつ前段階で実行したＥＰＰ処理で使用した古典通信経路のうちいずれか１つ以上と異なる古典通信経路を選択して最後のＥＳ処理を実行している。

また、ＥＳ実行部３０２では、以前に実行されたＥＳ処理で使用された古典通信経路、および以前に実行されたＥＰＰ処理で使用された古典通信経路のうちのいずれかと異なる古典通信経路を選択してＥＳ交換処理を実行する。

ネットワークを管理するセンタノードでは、経路中の量子情報中継装置１００のノードの位置からどの古典通信経路を選択してＥＳ処理、ＥＳＳ処理を実行すべきか、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行回数、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行タイミング等の役割を決定し、決定した役割を各量子情報中継装置１００に送信している。

制御部３０１は、受信した役割に基づいて、ＥＳ処理部３０２、ＥＰＰ処理部３０３を制御して、ＥＳ処理、ＥＰＰ処理の実行制御を行う。

具体的には、隣接する送信ノード側の量子情報中継装置１００と共有するＥＰＲ対に対して第１段階のＥＳ処理を実行し、ＥＳ処理を実行したノードの送信ノード側の隣接ノードと受信ノード側の量子情報中継装置１００で第１段階のＥＰＰ処理を行う。その後、ＥＰＰ処理を実行した受信ノード側の量子情報中継装置１００において第２段階のＥＳ処理を行い、さらに、第１段階のＥＰＰ処理を行ったノードで第２段階のＥＰＰ処理を行う際、第１段階のＥＳ処理およびＥＰＰ処理と第２段階のＥＳ処理で使用した古典通信経路とは異なる古典通信経路の量子情報中継装置１００との間でＥＰＰ処理を行う。

次に、このように構成された実施の形態１にかかる複数の量子情報中継装置１００による量子情報通信処理について説明する。ここで、図４に示すネットワーク構成において、アルファ社のネットワーク内の送信ノードＡからベータ社のネットワーク内の受信ノードＧに量子情報を送信する場合を例にあげて説明する。

図１７は、実施の形態１における量子情報通信処理の流れを示すシーケンス図である。まず、送信ノードＡの量子情報中継装置１００は、自己のＩＰアドレス（送信者アドレス）の第２階層（当事者）のアドレスから第２階層の経路決定処理を行い（ステップＳ１）、送信ノードＡから自己のネットワークのセンタノードＥまでの第２階層の古典通信経路および量子通信経路を決定する。なお、かかる第２階層の経路決定処理については後述する。

そして、送信ノードＡは、自己のＩＰアドレス（送信者アドレス）とともに、送信宛先である受信ノードＧのＩＰアドレス（受信者アドレス）を、決定された古典通信経路または量子通信経路でセンタノードＥに送信する（ステップＳ２）。

センタノードＥの量子情報中継装置１００は、宛先である受信ノードＧのＩＰアドレス（受信者アドレス）を受信すると、送信ノードＡのＩＰアドレスの第１階層のアドレスと受信ノードＧのＩＰアドレスの第１階層のアドレスとに基づき第１階層（組織）の経路決定処理を行って、ベータ社のネットワークのセンタノードＨまでの古典通信経路と量子通信経路を決定する（ステップＳ３）。なお、かかる第１階層の経路決定処理については後述する。

そして、センタノードＥは、受信ノードＧのＩＰアドレス（宛先）を、ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００に決定された古典通信経路または量子通信経路で送信する（ステップＳ４）。

ベータ社のセンタノードＨの量子情報中継装置１００は、受信ノードＧの宛先（ＩＰアドレス）を受信すると、受信ノードＧのＩＰアドレスの第２階層（当事者）のアドレスに基づき第２階層の経路決定処理を行って（ステップＳ５）、センタノードＨから受信者ノードＧまでの古典通信経路と量子通信経路を決定する。そして、決定された古典通信経路と量子通信経路をセンタノードＥに送信する（ステップＳ６）。

次に、センタノードＨでは、ベータ社のネットワーク内で、センタノードＨから受信ノードＧまでの決定された古典通信経路と量子通信経路に存在する量子情報中継装置１００（中継地点）の個数を算出する（ステップＳ７ｂ）。そして、その個数と量子通信経路および古典通信経路と各量子情報中継装置１００の位置から、各量子情報中継装置１００の量子情報中継処理におけるＥＳ処理やＥＰＰ処理をどの古典通信経路で実行するか、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行回数、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行タイミング等の役割を決定し（ステップＳ８ｂ）、決定した役割を各量子情報中継装置１００に送信する（ステップＳ９ｂ）。

一方、センタノードＨから古典通信経路と量子通信経路を受信したセンタノードＥでも、同様に、アルファ社のネットワーク内で、送信ノードＡからセンタノードＥまでの決定された古典通信経路と量子通信経路に存在する量子情報中継装置１００（中継地点）の個数を算出する（ステップＳ７ａ）。そして、その個数と量子通信経路および古典通信経路と各量子情報中継装置１００の位置から、各量子情報中継装置１００の量子情報中継処理における上記役割を決定し（ステップＳ８ａ）、決定した役割を各量子情報中継装置１００に送信する（ステップＳ９ａ）。

そして、アルファ社、ベータ社の各ネットワークおよびセンタノードＥからセンタノードＨの間で、量子情報中継処理が行われ、送信ノードＡから受信ノードＧまでの量子鍵配送などの光子の送信が行われる（ステップＳ１０）。かかる量子情報中継処理については後述する。

次に、ステップＳ３における第１階層（組織）の経路決定処理について説明する。図１８は、第１階層の経路決定処理の手順を示すフローチャートである。まず、量子情報中継装置１００（センタノード）では、古典経路検索部１３６によって、送信者アドレス（送信ノードのＩＰアドレス）の第１階層のアドレスと、送信ノードから受信した受信者アドレス（受信ノードのＩＰアドレス）の第１階層のアドレスとをキーにして、図５に示す古典通信経路テーブル１３３からセンタノード間（Ｅ−Ｈ間）の古典通信経路を検索する（ステップＳ１１）。

次に、量子経路決定部１３２によって、古典通信経路テーブル１３３において、検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグの内容を取得し（ステップＳ１２）、取得した量子通信経路存在フラグの値が「１」であるか否か、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在するか否かを判断する（ステップＳ１３）。

その結果、量子通信経路存在フラグの値が「１」である場合、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在する場合には（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、量子通信経路テーブル１３４を検索せずに、古典経路検索部１３６で決定された古典通信経路を量子通信経路として決定する（ステップＳ１４）。例えば、図５において、古典経路検索部１３６で古典通信経路が「３１」と決定された場合には、量子通信経路を同一経路の「３１」と決定する。

一方、ステップＳ１３において、量子通信経路存在フラグの値が「１」でない場合（「０」の場合）、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在しない場合には（ステップＳ１３：Ｎｏ）、量子経路決定部１３２によって、送信者アドレス（送信ノードのＩＰアドレス）の第１階層のアドレスと、送信ノードから受信した受信者アドレス（受信ノードのＩＰアドレス）の第１階層のアドレスとをキーにして、図６に示す量子通信経路テーブル１３４からセンタノード間（Ｅ−Ｈ間）の量子通信経路を検索する（ステップＳ１５）。そして、検索された量子通信経路を、センタノード間（Ｅ−Ｈ間）の量子通信経路として決定する（ステップＳ１６）。このようにして、第１階層の経路決定処理が行われることになる。

次に、ステップＳ２およびＳ５における第２階層（当事者）の経路決定処理について説明する。図１９は、第２階層の経路決定処理の手順を示すフローチャートである。まず、アルファ社およびベータ社のネットワーク内のノードの量子情報中継装置１００では、古典経路検索部１３６によって、ＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーにして、図７または８に示す古典通信経路テーブル１３３からノード間の古典通信経路を検索する（ステップＳ２１）。

キーとする第２階層のアドレスは、以下のように選定される。すなわち、送信ノードで第２階層の経路決定を行う場合には（ステップＳ２の場合）、送信ノードのＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーとする。これにより、送信ノードから送信ノードが属するネットワークのセンタノードまでの第２階層の古典通信経路が検索される。例えば、図４の例で、送信ノードＡから受信ノードＧに送信する場合において、送信ノードＡは、自己のＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーに古典通信経路テーブル１３３を検索する。

また、受信ノードが属するネットワークのセンタノードで第２階層の経路決定を行う場合（ステップＳ５の場合）、受信ノードのＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーとする。これにより、センタノードから受信ノードまでの第２階層の古典通信経路が検索される。例えば、図４の例で、送信ノードＡから受信ノードＧに送信する場合において、ベータ社のセンタノードＨは、受信ノードＧのＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーに古典通信経路テーブル１３３を検索する。

次に、量子経路決定部１３２によって、古典通信経路テーブル１３３において、検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグの内容を取得し（ステップＳ２２）、取得した量子通信経路存在フラグの値が「１」であるか否か、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在するか否かを判断する（ステップＳ２３）。

その結果、量子通信経路存在フラグの値が「１」である場合、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在する場合には（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、量子通信経路テーブル１３４を検索せずに、古典経路検索部１３６で決定された古典通信経路を量子通信経路として決定する（ステップＳ２４）。

一方、ステップＳ２３において、量子通信経路存在フラグの値が「１」でない場合（「０」の場合）、すなわち、検索された古典通信経路と同一の量子通信経路が存在しない場合には（ステップＳ２３：Ｎｏ）、量子経路決定部１３２によって、ＩＰアドレスの第２階層のアドレスをキーにして、図８または１０に示す量子通信経路テーブル１３４からノード間の量子通信経路を検索する（ステップＳ２５）。そして、検索された量子通信経路を、センタノード間（Ｅ−Ｈ間）の量子通信経路として決定する（ステップＳ１６）。このようにして、第２階層の経路決定処理が行われることになる。

ここで、キーとする第２階層のアドレスは、上述した古典通信経路の経路決定の場合と同様に選定される。

このように、第１階層および第２階層の経路決定処理において、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する場合には、量子通信経路の検索を行わずに、古典通信経路を量子通信経路として決定するので、経路探索処理の負荷を軽減することができる。

次に、ステップＳ１０における量子情報中継処理について説明する。ここでは、アルファ社のネットワークにおいて、送信ノードＡからセンタノードＥまでの量子情報中継処理を例にあげて説明する。センタノードＥからセンタノードＨ、センタノードＨから受信ノードＧまでの量子情報中継処理についても同様に行われる。

なお、図４に示すように、送信ノードＡからセンタノードＥまでの量子通信経路は、Ａ−Ｔ，Ｔ−Ｆ，Ｆ−Ｕ，Ｕ−Ｅであり、古典通信経路はＡ−Ｅである。

図２０は、実施の形態１の各量子情報中継装置１００における量子情報通信処理の手順を示すフローチャートである。

まず、量子情報中継装置Ａ，Ｔ，Ｆ，Ｕ、ＥにおいてＥＰＲ対を生成する（ステップＳ３１〜Ｓ３５）。次に、量子情報中継装置Ａ，Ｔ，Ｆ，Ｕで生成したＥＰＲ対の一方の光子を、隣接する量子情報中継装置に送信する（ステップＳ３６〜Ｓ３９）。これにより、Ａ−Ｔ間、Ｔ−Ｆ間、Ｆ−Ｕ間、Ｕ−Ｅ間でＥＰＲ対がそれぞれ共有されることになる。

そして、量子情報中継装置Ｔ，Ｕにおいて、第１段階のＥＳ処理を実行する（ステップＳ４０，Ｓ４１）。これによって、Ａ−Ｆ間およびＦ−Ｅ間でＥＰＲ対が共有される。

次に、量子情報中継装置Ａ，Ｆにおいて、第１段階のＥＰＰ処理をＡ−Ｆ間で実行し、量子情報中継装置Ｆ，Ｅにおいて、第１段階のＥＰＰ処理をＦ−Ｅ間で実行する（ステップＳ４２〜Ｓ４４）。これによりＡ−Ｆ間およびＦ−Ｅ間で、ＥＰＲ対の忠実度が回復される。

次に、量子情報中継装置Ｆにおいて、第２段階のＥＳ処理を実行する（ステップＳ４５）。これによって、量子情報中継装置Ａ−Ｅ間でＥＰＲ対が共有される。

ここで、使用される古典通信経路については次のようになる。図４に示すように、第１段階のＥＳ処理では、経路Ａ−Ｔ−Ｆ及び経路Ｆ−Ｕ−Ｅを古典通信経路として使用している。第１段階のＥＰＰ処理でも経路Ａ−Ｔ−Ｆと経路Ｆ−Ｕ−Ｅを使用している。また、第２段階のＥＳ処理では、経路Ａ−Ｔ−Ｆ及び経路Ｆ−Ｕ−Ｅを使用している。

次に、量子情報中継装置Ａ，Ｅにおいて、第２段階のＥＰＰ処理をＡ−Ｅ間で実行する（ステップＳ４６，Ｓ４７）。これによって、Ａ−Ｅ間でＥＰＲ対の忠実度が回復される。すなわち、第２段階のＥＰＰ処理では、第１段階のＥＳ処理及びＥＰＰ処理で使用される古典通信経路および第２段階のＥＳ処理で使用する古典通信経路とは、異なる古典通信経路Ａ−Ｅを使用している。これにより、ＡからＥまで通信する際には、量子情報中継装置Ｆを経由せずに、短距離のＡ−Ｅ間の古典通信経路で直接通信することができ、かつＥＰＲ対の忠実度の減衰も防止されることになる。

このように実施の形態１にかかる量子情報通信システムでは、経路決定処理において、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する場合には、量子通信経路の検索を行わずに、古典通信経路を量子通信経路として決定するので、経路探索処理の負荷を軽減することができる。
また、実施の形態１にかかる量子情報通信システムでは、経路決定処理において、古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在しない場合に、量子通信経路の検索を行っているので、通信経路の状況に応じて最適な経路探索を行うことができる。

（実施の形態２）
実施の形態１にかかる量子情報中継装置１００では、経路決定をネットワーク内の送信ノードおよびセンタノードとなる量子情報中継装置１００で実行していたが、この実施の形態２では、経路決定をネットワーク管理装置で実行する。

図２１は、実施の形態２にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。図２１に示すように、実施の形態２にかかる量子情報通信システムは、複数の量子情報中継装置２１００とネットワーク管理装置２１３０とが光ファーバー１４０で接続された構成となっている。

図２２は、ネットワーク管理装置２１３０の機能的構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかるネットワーク管理装置２１３０は、図２２に示すように、通信部２１３１と、古典経路検索部２１３３と、量子経路決定部２１３２と、古典通信経路テーブル１３３と、量子通信経路テーブル１３４とを主に備えている。

ここで、古典通信経路テーブル１３３と量子通信経路テーブル１３４は、実施の形態１の各テーブルと同様であり、ＨＤＤやメモリ等の記憶媒体に格納されている。

通信部２１３１は、送信ノードとなる量子情報中継装置１００から送信ノードのＩＰアドレス（送信者アドレス）および受信ノードのＩＰアドレス（受信者アドレス）を含む経路決定要求メッセージを受信し、古典経路検索部２１３３により決定された古典通信経路および量子経路決定部２１３２により決定された量子通信経路を含む経路メッセージを生成し、生成された経路メッセージを、決定された古典通信経路および量子通信経路中に存在する全てのノードの量子情報中継装置２１００に送信する処理部である。

古典経路検索部２１３３は、経路決定要求メッセージに含まれる送信ノードのＩＰアドレスと受信ノードのＩＰアドレスから、古典通信経路テーブル１３３から送信ノードと受信ノードとの間に存在する所定のノード間の古典通信経路を検索する処理部である。

具体的には、古典経路検索部２１３３は、送信ノードのＩＰアドレスと受信ノードのＩＰアドレスの第１階層から第ｎ階層の一部のアドレスをキーにして、古典通信経路テーブル１３３から送信ノードと受信ノードとの間に存在する所定のノード間の古典通信経路を検索し、検索された古典通信経路を所定のノード間の古典通信経路として決定する。

本実施の形態にかかるネットワーク管理装置２１３０の古典経路検索部２１３３は、ＩＰアドレスの全ての階層についての古典通信経路を決定する。
量子経路決定部２１３２は、古典経路検索部２１３３によって検索された古典通信経路に対応する相関関係に基づいて所定のノード間の量子通信経路を決定する処理部である。具体的には、量子経路決定部２１３２は、古典経路検索部１３６によって検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグが古典通信経路と同一経路の量子通信経路が存在する旨を示す「１」である場合には、量子通信経路の検索を行わずに、検索された古典通信経路を前定のノード間の量子通信経路として決定する。

一方、量子経路決定部２１３２は、古典経路検索部２１３３によって検索された古典通信経路に対応する量子通信経路存在フラグが古典通信経路と同一経路である量子通信経路が存在しない旨を示す「０」である場合には、量子通信経路テーブル１３４から、所定のノード間の量子通信経路を検索し、検索された量子通信経路を所定のノード間の量子通信経路として決定する。

本実施の形態にかかるネットワーク管理装置２１３０の量子経路決定部２１３２は、ＩＰアドレスの全ての階層についての古典通信経路を決定する。

ネットワーク管理装置２１３０は、経路中の量子情報中継装置１００のノードの位置からどの古典通信経路を選択してＥＳ処理、ＥＳＳ処理を実行すべきか、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行回数、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行タイミング等の役割を決定し、決定した役割を通信部２１３１によって各量子情報中継装置１００を送信している。

本実施の形態のネットワーク管理装置２１３０は、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤ、ＣＤドライブ装置などの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置と、ネットワークボード等の通信装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

次に、実施の形態２にかかる量子情報中継装置２１００について説明する。図２３は、実施の形態２にかかる量子情報中継装置２１００の機能的構成を示すブロック図である。実施の形態２にかかる量子情報中継装置２１００は、図２３に示すように、制御用古典計算機２１１０と中継器１２０とを備えている。制御用古典計算機２１１０は、ＣＰＵやメモリ等を備えた通常のコンピュータの構成となっている。中継器１２０の機能的構成は、実施の形態１と同様である。

制御用古典計算機２１１０は、通信部１３５を主に備えている。なお、本実施の形態では、古典通信経路および量子通信経路の決定は、ネットワーク管理装置２１３０によって行われるため、実施の形態１の量子情報中継装置１００のように古典経路検索部、量子経路決定部は設けられていない。

通信部１３５は、実施の形態１と同様に、送信ノードのＩＰアドレス、受信ノードのＩＰアドレス、古典通信経路や量子通信経路を他のノードに送信したり、他のノードから受信する処理部である。

また、通信部１３５は、自己の量子情報中継装置１００が送信ノードとなる場合に、送信ノードのＩＰアドレスと受信ノードのＩＰアドレスを含み、受信ノードまでの経路決定要求メッセージをネットワーク管理装置２１３０に送信し、かかる要求に対する応答として、ネットワーク管理装置２１３０から決定された古典通信経路および量子通信経路を含む経路メッセージを受信する。

次に、このように構成された実施の形態２にかかる複数の量子情報中継装置１００による量子情報通信処理について説明する。ここで、図４に示すネットワーク構成において、アルファ社のネットワーク内の送信ノードＡからベータ社のネットワーク内の受信ノードＧに量子情報を送信する場合を例にあげて説明する。

図２４は、実施の形態２における量子情報通信処理の流れを示すシーケンス図である。まず、送信ノードＡの量子情報中継装置２１００は、自己のＩＰアドレス（送信者アドレス）とともに、送信宛先である受信ノードＧのＩＰアドレス（受信者アドレス）を自己のネットワーク（アルファ社のネットワーク）のネットワーク管理装置２１３０に送信する（ステップＳ５１）。

受信ノードＧのＩＰアドレスを受信したネットワーク管理装置２１３０は、送信ノードＡのＩＰアドレスの第１階層（組織）のアドレスおよび受信ノードＧのＩＰアドレスの第１階層のアドレスから、第１階層の経路決定処理を行い（ステップＳ５２）、センタノードＥから送信先のネットワーク（ベータ社のネットワーク）のセンタノードＨまでの第１階層の古典通信経路および量子通信経路を決定する。

そして、アルファ社のネットワーク管理装置２１３０は、送信宛先である受信ノードＧのＩＰアドレス（受信者アドレス）を、送信先のネットワーク（ベータ社のネットワーク）のネットワーク管理装置２１３０に送信する（ステップＳ５３）。

そして、アルファ社のネットワーク管理装置２１３０では、送信ノードＡのＩＰアドレス（送信者アドレス）の第２階層（当事者）のアドレスから第２階層の経路決定処理を行い（ステップＳ５４）、送信ノードＡから自己のネットワークのセンタノードＥまでの第２階層の古典通信経路および量子通信経路を決定する。

一方、送信先のネットワーク（ベータ社のネットワーク）のネットワーク管理装置２１３０は、受信ノードＧのＩＰアドレスを受信すると、受信ノードＧのＩＰアドレスの第２階層（当事者）のアドレスに基づき第２階層の経路決定処理を行って（ステップＳ５５）、センタノードＨから受信者ノードＧまでの古典通信経路と量子通信経路を決定する。そして、決定された古典通信経路と量子通信経路を、アルファ社のネットワーク管理装置２１３０に送信する（ステップＳ５６）。

なお、ステップＳ５２の第１階層の経路決定処理、およびステップＳ５４、Ｓ５５の第２階層の経路決定処理は、実施の形態１の各経路決定処理と同様に行われる。

アルファ社のネットワーク管理装置２１３０は、受信した古典通信経路と量子通信経路、およびステップＳ５２および５４で決定した古典通信経路と量子通信経路を、送信ノードＡに送信する（ステップＳ５７）。

そして、アルファ社のネットワーク管理装置２１３０は、アルファ社のネットワーク内で、送信ノードＡからセンタノードＥまでの決定された古典通信経路と量子通信経路に存在する量子情報中継装置２１００（中継地点）の個数を算出する（ステップＳ５８ａ）。そして、その個数と量子通信経路および古典通信経路と各量子情報中継装置２１００の位置から、各量子情報中継装置２１００の量子情報中継処理におけるＥＳ処理やＥＰＰ処理をどの古典通信経路で実行するか、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行回数、ＥＳ処理やＥＰＰ処理の実行タイミング等の役割を決定し（ステップＳ５９ａ）、決定した役割を自己のネットワーク内の各量子情報中継装置２１００に送信する（ステップＳ６０ａ）。

一方、ベータ社のネットワーク管理装置２１３０においても同様に、センタノードＨから受信ノードＧまでの決定された古典通信経路と量子通信経路に存在する量子情報中継装置２１００（中継地点）の個数の算出（ステップＳ５８ｂ）、各量子情報中継装置２１００の量子情報中継処理における上記役割の決定（ステップＳ５９ｂ）、決定した役割の自己のネットワーク内の各量子情報中継装置２１００への送信（ステップＳ６０ｂ）の各処理が実行される。

そして、アルファ社、ベータ社の各ネットワークおよびセンタノードＥからセンタノードＨの間で、量子情報中継処理が行われ、送信ノードＡから受信ノードＧまでの量子鍵配送などの光子の送信が行われる（ステップＳ６１）。かかる量子情報中継処理については実施の形態１と同様に行われる。

このように実施の形態２にかかる量子情報通信システムでは、ネットワーク管理装置２１３０によって、古典通信経路の検索および量子通信経路の決定が行われるので、各ノードの量子情報中継装置２１００における経路探索の負担がなくなり、量子情報通信の処理効率を向上させることができる。

なお、実施の形態２では、ネットワーク管理装置２３１０を通常のコンピュータとして各ノードの量子情報中継装置２１００とは異なる構成として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、センタノードの量子情報中継装置２１００にネットワーク管理装置としての機能を有するように構成してもよい。

また、実施の形態１および２では、２階層のデータ構造のＩＰアドレスを用いて説明したが、３階層以上のデータ構造のＩＰアドレスを用いることもでき、この場合には、第３階層以上の経路決定は、第１階層、第２階層の経路決定処理と同様に行われることになる。

また、本実施の形態では、図４に示すネットワーク構成の量子情報通信システムを例にあげて説明したが、これに限定されるものではなく、古典通信経路と量子通信経路の双方が存在するネットワークであればいずれにも適用することができる。

実施の形態１および２の量子情報中継装置１００，２１００、ネットワーク管理装置２１３０で実行される量子情報通信プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。

実施の形態１および２の量子情報中継装置１００，２１００、ネットワーク管理装置２１３０で実行される量子情報通信プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

さらに、実施の形態１および２の量子情報中継装置１００，２１００、ネットワーク管理装置２１３０で実行される量子情報通信プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、実施の形態１および２の量子情報中継装置１００，２１００、ネットワーク管理装置２１３０で実行される量子情報通信プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

実施の形態１および２の量子情報中継装置１００，２１００、ネットワーク管理装置２１３０で実行される量子情報通信プログラムは、上述した各部（古典経路検索部、量子経路決定部、通信部、ＥＳ実行部、ＥＰＰ実行部、制御部）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記ＲＯＭから量子情報中継プログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、古典経路検索部、量子経路決定部、通信部、ＥＳ実行部、ＥＰＰ実行部、制御部が主記憶装置上に生成されるようになっている。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

実施の形態１にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。 実施の形態１にかかる制御用古典計算機と中継器の機能的構成を示すブロック図である。 ＩＰアドレスのデータ形式の一例を示すデータ構造図である。 ２個のセグメントから構成されるＩＰアドレスのデータ構造図である。 実施の形態１のネットワーク構成および量子通信経路と古典通信経路の一例を示す模式図である。 第１階層の古典通信経路テーブルの一例を示す説明図である。 第１階層の量子通信経路テーブルの一例を示す説明図である。 第２階層の古典通信経路テーブルの一例を示す説明図である。 第２階層の量子通信経路テーブルの一例を示す説明図である。 第２階層の古典通信経路テーブルの他の例を示す説明図である。 第２階層の量子通信経路テーブルの他の例を示す説明図である。 ＥＳ処理およびＥＰＰ処理によるＥＰＲ対の状態の例を示す模式図である。 ＥＳ処理を説明するための模式図である。 ＥＰＰ処理を説明するための模式図である。 ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。 ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。 ＥＰＲ対生成からＥＰＰ処理までの光子の状態を示す説明図である。 実施の形態１における量子情報通信処理の流れを示すシーケンス図である。 第１階層の経路決定処理の手順を示すフローチャートである。 第２階層の経路決定処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態１の量子情報通信処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態２にかかる量子情報通信システムのネットワーク構成を示すブロック図である。 ネットワーク管理装置の機能的構成を示すブロック図である。 実施の形態２にかかる量子情報中継装置の機能的構成を示すブロック図である。 実施の形態２における量子情報通信処理の流れを示すシーケンス図である。

符号の説明

１００，２１００ 量子情報中継装置
１１０，２１１０ 制御用古典計算機
１２１ ＥＰＲ対生成ユニット
１２２ 光子入力ユニット
１２３ 光子−固体ＥＩＴ間変換ユニット
１２４ 光子−固体ＥＩＴ量子計算機
１２５ メモリ
１２６ 光子送信ユニット
１３２，２１３２ 量子経路決定部
１３３ 古典通信経路テーブル
１３４ 量子通信経路テーブル
１３５，２１３１ 通信部
１３６，２１３３ 古典経路検索部
１４０ 光ファイバー
３０１ 制御部
３０２ ＥＳ実行部
３０３ ＥＰＰ実行部

Claims (6)

1. 量子通信ネットワークと古典通信ネットワークとに接続された量子情報通信装置であって、
   前記量子通信ネットワークに接続されたノード間の量子通信による経路を示す量子通信経路を登録した量子通信経路テーブルと、前記古典通信ネットワークに接続されたノード間の古典通信による経路を示す古典通信経路と当該古典通信経路のノード間の前記量子通信経路の相関関係とを対応付けた古典通信経路テーブルとを記憶する記憶手段と、
   送信ノードのネットワークアドレスと受信ノードのネットワークアドレスとに基づいて、前記古典通信経路テーブルから前記送信ノードと前記受信ノードとの間に存在する所定のノード間の前記古典通信経路を検索する古典経路検索手段と、
   検索された前記古典通信経路に対応する前記相関関係に基づいて前記所定のノード間の前記量子通信経路を決定する量子経路決定手段と、
   検索された前記古典通信経路または決定された前記量子通信経路に従って、光子の量子情報通信を行う通信手段と、
   を備えたことを特徴とする量子情報通信装置。
2. 前記古典通信経路テーブルは、前記相関関係として、前記古典通信経路と同一経路の前記量子通信経路の存在の有無を示す存在情報を含み、
   前記量子経路決定手段は、検索された前記古典通信経路に対応する前記存在情報が前記古典通信経路と同一経路の前記量子通信経路が存在する旨を示す場合には、前記検索された前記古典通信経路を前記所定のノード間の前記量子通信経路として決定すること
   を特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
3. 前記量子経路決定手段は、さらに、検索された前記古典通信経路に対応する前記存在情報が前記古典通信経路と同一経路である前記量子通信経路が存在しない旨を示す場合には、前記量子通信経路テーブルから、前記所定のノード間の前記量子通信経路を検索することを特徴とする請求項２に記載の量子情報通信装置。
4. 前記送信ノードから前記受信ノードへの光子の量子情報通信の際に、もつれ合った光子対であるＥＰＲ対を生成するＥＰＲ対生成手段と、
   生成された前記ＥＰＲ対の一方の光子を隣接するノードの前記量子情報通信装置に送信する光子送信手段と、
   隣接するノードの前記量子情報通信装置との間で、前記ＥＰＲ対を共有するエンタングルメント交換処理を実行するエンタングルメント交換実行手段と、
   前記エンタングルメント交換処理によって共有した前記ＥＰＲ対の共有先のノードの前記量子情報通信装置との間で、前記ＥＰＲ対の忠実度を回復するための処理であるエンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行するエンタングルメント純粋化プロトコル実行手段と、を備え、
   前記通信手段は、さらに、前記ＥＰＲ対を他のノードと共有し、前記ＥＰＲ対の各光子間の距離を伸張する量子中継を行い、
   前記エンタングルメント純粋化プロトコル実行手段は、前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理のうち最後の前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理を実行する場合に、最後に実行された前記エンタングルメント交換処理および当該エンタングルメント交換処理以前に実行された前記エンタングルメント交換処理で使用された古典通信経路、および以前に実行された前記エンタングルメント純粋化プロトコル処理で使用された古典通信経路のうちのいずれか１つ以上と異なる古典通信経路を選択することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の量子情報通信装置。
5. 量子通信ネットワークと古典通信ネットワークとに接続された量子情報通信装置で実行される量子情報通信方法であって、
   前記量子情報通信装置は、前記量子通信ネットワークに接続されたノード間の量子通信による経路を示す量子通信経路を登録した量子通信経路テーブルと、前記古典通信ネットワークに接続されたノード間の古典通信による経路を示す古典通信経路と当該古典通信経路のノード間の前記量子通信経路の相関関係とを対応付けた古典通信経路テーブルとを記憶する記憶手段を備え、
   送信ノードのネットワークアドレスと受信ノードのネットワークアドレスとに基づいて、前記古典通信経路テーブルから前記送信ノードと前記受信ノードとの間に存在する所定のノード間の前記古典通信経路を検索する古典経路検索ステップと、
   検索された前記古典通信経路に対応する前記相関関係に基づいて前記所定のノード間の前記量子通信経路を決定する量子経路決定ステップと、
   検索された前記古典通信経路または決定された前記量子通信経路に従って、光子の量子情報通信を行う通信ステップと、
   を含むことを特徴とする量子情報通信方法。
6. 量子通信ネットワークと古典通信ネットワークとに接続されたコンピュータで実行される量子情報通信プログラムであって、
   前記コンピュータは、前記量子通信ネットワークに接続されたノード間の量子通信による経路を示す量子通信経路を登録した量子通信経路テーブルと、前記古典通信ネットワークに接続されたノード間の古典通信による経路を示す古典通信経路と当該古典通信経路のノード間の前記量子通信経路の相関関係とを対応付けた古典通信経路テーブルとを記憶する記憶手段を備え、
   送信ノードのネットワークアドレスと受信ノードのネットワークアドレスとに基づいて、前記古典通信経路テーブルから前記送信ノードと前記受信ノードとの間に存在する所定のノード間の前記古典通信経路を検索する古典経路検索ステップと、
   検索された前記古典通信経路に対応する前記相関関係に基づいて前記所定のノード間の前記量子通信経路を決定する量子経路決定ステップと、
   検索された前記古典通信経路または決定された前記量子通信経路に従って、光子の量子情報通信を行う通信ステップと、
   を前記コンピュータに実行させる量子情報通信プログラム。

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